(57)【要約】【課題】低いコレクタ−ベース間耐圧を持つトランジスタでもＢ級、Ｃ級動作を実現し、耐破壊性を向上した高周波電力増幅器を提供することを目的とする。【解決手段】トランジスタ（Ｑ１３１）の閾値電圧のバイアス電圧またはその付近のバイアス電圧をバイアス回路（２１１）がベースに印加し、整流回路（２４１）によって半波に整流された高周波信号をトランジスタ（Ｑ１３１）のベースに入力してトランジスタ（Ｑ１３１）の出力側から信号を出力する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタと、
前記トランジスタのベース側に直列接続された整流回路と、
前記トランジスタの閾値電圧のバイアス電圧またはその付近のバイアス電圧を前記トランジスタのベースに印加するバイアス回路と
を有し、前記整流回路によって半波に整流された高周波信号を前記トランジスタのベースに入力して前記トランジスタの出力側から信号を出力する
高周波電力増幅器。
【請求項２】
前記整流回路を、
順方向のダイオードと、
前記ダイオードのアノードに接続された第２のバイアス回路と
を備え、第２のバイアス回路の出力電圧を前記ダイオードの閾値電圧またはその付近に設定した
請求項１に記載の高周波電力増幅器。
【請求項３】
トランジスタと、
前記トランジスタのコレクタとベース間に介装されたフィードバック回路と、
前記トランジスタのベース側に直列接続され前記トランジスタのコレクタからベースにフィードバックされた高調波成分のうちで第２高調波成分を反射する２倍波オープン回路と、
前記トランジスタの閾値電圧のバイアス電圧またはその付近のバイアス電圧を前記トランジスタのベースに印加するバイアス回路と
を有し、
前記２倍波オープン回路を介して高周波信号を前記トランジスタのベースに入力して前記トランジスタの出力側から信号を出力する
高周波電力増幅器。
【請求項４】
前記フィードバック回路を、インダクタンスとキャパシタンスと抵抗の直列接続で構成した
請求項３に記載の高周波電力増幅器。
【請求項５】
前記２倍波オープン回路を、
インダクタンスとキャパシタンスを並列接続してその共振周波数を第２高調波に設定して構成した
請求項３に記載の高周波電力増幅器。
【請求項６】
前記２倍波オープン回路を、
第２高調波に対して４分の１波長の伝送線路と、
共振周波数が第２高調波に設定され前記伝送線路の高周波信号入力側と接地との間に介装されたキャパシタンスとインダクタンスの直列回路とで構成した
請求項３に記載の高周波電力増幅器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高い出力電力において高効率で高信頼性を実現する高周波電力増幅器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話機などの移動体通信システムにおける高周波電力増幅器は、５００ｍＷ〜３Ｗの出力電力を扱う。電力増幅器にはトランジスタが用いられる。電力が大きくなればトランジスタの出力端の電圧振幅が大きくなり、トランジスタには高い耐圧能力が要求される。
【０００３】
また、移動体通信の端末では限られた電池容量のもとで長時間にわたって通話可能であることが求められる。そのため多くの電力を消費する電力増幅器には高効率化が求められる。
【０００４】
図１５は従来技術による高周波電力増幅器の一例である。
このトランジスタＱ１３１による高周波電力増幅器は、ベース１０１にバイアス電圧１１１が印加されており、トランジスタＱ１３１の閾値電圧以上に設定されている。コレクタ１０３には電源電圧１１２が印加されている。
【０００５】
入力端子１２１に入力された信号（ａ）は、ベース１０１に入力されることによりトランジスタＱ１３１を動作させる。このとき、ベース１０１に流れるベース電流（ｂ）とベースにかかるベース電圧（ｃ）は同相である。コレクタ１０３にはベース電流と同相で振幅が増幅されたコレクタ電流（ｄ）が流れ、コレクタ電圧（ｅ）はコレクタ電流（ｄ）とは逆相となる。これにより出力端子１２２には増幅された信号が出力される。
【０００６】
なお、トランジスタＱ１３１のコレクタ１０３と電源電圧１１２の間の負荷回路などは図示を省いている。
次にＢ級動作増幅器について説明する。
【０００７】
図１５においてバイアス電圧１１１をトランジスタＱ１３１の閾値電圧に設定する。入力端子１２１に正弦波が入力されたとするとベース１０１における電圧の平均値はトランジスタの閾値電圧となり、電流はベース電圧から閾値電圧を引いた半波の形となり、コレクタ１０３における電流はベース電流と同じ半波となり、コレクタ電圧はコレクタ電流と逆相となる。Ｂ級動作ではコレクタ電流、コレクタ電圧高調波成分を含むが、高周波増幅器ではトランジスタのコレクタと出力の間の整合回路によって基本波成分のみを通すように設計しているのでコレクタ電流、コレクタ電圧が高調波成分を含み、正弦波の形をする必要はない。
【０００８】
トランジスタＱ１３１で消費される電力は、コレクタ電流とコレクタ電圧の積で表される。この値が小さいほど消費される電力は小さくなり高効率動作となる。Ｂ級動作ではコレクタ電流を半波の形にすることでコレクタ電流とコレクタ電圧の積を小さくし、トランジスタで消費される電力を低くすることで高効率動作が可能となる。
【０００９】
トランジスタベースのバイアス点をＢ級動作よりさらに低く設定した場合はＣ級動作とよばれ、コレクタ電流の流通角を小さくし、トランジスタでの消費電力を減らした動作のことである。
【００１０】
また、トランジスタベースのバイアス点をＢ級動作より高く設定した場合はＡＢ級動作と呼ばれ、Ｂ級動作に比べ利得は大きくなるがコレクタ電流の流通角が大きくなり、トランジスタでの消費電力は増える。
【００１１】
また、（特許文献１）（特許文献２）にはトランジスタの入力側高調波処理を行うことによって高周波電力増幅器の効率を向上させるための手法も開示されている。
【特許文献１】特開平９−１９９９５６号公報
【特許文献２】特開２００１−２５７５４６公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
増幅器の出力電力レベルはコレクタ電圧とコレクタ電流の振幅の大きさで決まる。高い出力レベルのためにはコレクタ電流、コレクタ電圧の振幅を大きくする必要がある。トランジスタ動作ではベース電圧とベース電流は同相、ベース電流とコレクタ電流は同相であり、コレクタ電流とコレクタ電圧は逆相の関係にある。結果としてベース電圧とコレクタ電圧は逆相の関係となり、コレクタ電圧が高い時にベース電位は低くなりコレクタ−ベース間にかかる電圧は非常に大きくなる。トランジスタのコレクタ−ベース間の耐圧が十分でないトランジスタはＢ級またはＣ級動作をしなくなる。さらにコレクタ−ベース間の耐圧以上の電圧がかかることでコレクタ−ベース間がショートし、トランジスタが破壊する可能性がある。トランジスタの入出力電力が大きくなるにつれてベースの電圧振幅が大きくなるためコレクタ−ベース間に大きな電圧がかかることになる。
【００１３】
本発明は低いコレクタ−ベース間耐圧を持つトランジスタでもＢ級、Ｃ級動作を実現し、耐破壊性を向上した高周波電力増幅器を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の請求項１記載の高周波電力増幅器は、トランジスタと、前記トランジスタのベース側に直列接続された整流回路と、前記トランジスタの閾値電圧のバイアス電圧またはその付近のバイアス電圧を前記トランジスタのベースに印加するバイアス回路とを有し、前記整流回路によって半波に整流された高周波信号を前記トランジスタのベースに入力して前記トランジスタの出力側から信号を出力することを特徴とする。
【００１５】
この構成によると、トランジスタの閾値より低いベース電圧をなくすことでコレクタ−ベース間の電圧を低減させ、耐破壊性の向上が可能となる。また、閾値よりも低いベース電圧はトランジスタの動作に寄与しないため、本発明によって閾値よりも低いベース電圧を除去しても増幅器の機能を失うことはない。
【００１６】
本発明の請求項２記載の高周波電力増幅器は、請求項１において、前記整流回路を、順方向のダイオードと、前記ダイオードのアノードに接続された第２のバイアス回路とを備え、前記第２のバイアス回路の出力電圧を前記ダイオードの閾値電圧またはその付近に設定したことを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項３記載の高周波電力増幅器は、トランジスタと、前記トランジスタのコレクタとベース間に介装されたフィードバック回路と、前記トランジスタのベース側に直列接続され前記トランジスタのコレクタからベースにフィードバックされた高調波成分のうちで第２高調波成分を反射する２倍波オープン回路と、前記トランジスタの閾値電圧のバイアス電圧またはその付近のバイアス電圧を前記トランジスタのベースに印加するバイアス回路とを有し、前記２倍波オープン回路を介して高周波信号を前記トランジスタのベースに入力して前記トランジスタの出力側から信号を出力することを特徴とする。
【００１８】
この構成によると、フィードバック回路と２倍波オープン回路を有することで前記トランジスタのベースの電圧を半波に整流することによって、前記トランジスタのコレクタ−ベース間にかかる電圧を減少して耐破壊性の向上が可能となる。
【００１９】
本発明の請求項４記載の高周波電力増幅器は、請求項３において、前記フィードバック回路を、インダクタンスとキャパシタンスと抵抗の直列接続で構成したことを特徴とする。
【００２０】
本発明の請求項５記載の高周波電力増幅器は、請求項３において、前記２倍波オープン回路を、インダクタンスとキャパシタンスを並列接続してその共振周波数を第２高調波に設定して構成したことを特徴とする。
【００２１】
本発明の請求項６記載の高周波電力増幅器は、請求項３において、前記２倍波オープン回路を、第２高調波に対して４分の１波長の伝送線路と、共振周波数が第２高調波に設定され前記伝送線路の高周波信号入力側と接地との間に介装されたキャパシタンスとインダクタンスの直列回路とで構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
トランジスタのベースに閾値電圧のバイアス電圧またはその付近のバイアス電圧を印加するとともに、整流回路によって半波に整流された高周波信号を前記前記ベースに入力して前記トランジスタの出力側から信号を出力するか、または、トランジスタのベースに閾値電圧のバイアス電圧またはその付近のバイアス電圧を印加するとともに、前記整流回路に代わって、前記トランジスタのコレクタとベース間にフィードバック回路を介装するとともに第２高調波成分を反射する２倍波オープン回路を介して前記トランジスタのベース側に高周波信号を入力することによって、前記トランジスタのコレクタ−ベース間にかかる電圧を減少して耐破壊性の向上し、高い出力電力範囲で高効率、高信頼性を実現することが可能であり、送信機の高信頼性化に貢献する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の高周波電力増幅器を図１〜図１４に示す各実施の形態に基づいて説明する。
なお、従来例を示す図１５と同様の作用をなすものには同一の符号を付けて説明する。
【００２４】
（第１の実施形態）
図１は本発明の（第１の実施形態）の高周波電力増幅器を示す。
このトランジスタＱ１３１による高周波電力増幅器は、ベース１０１に第１のバイアス回路２１１からバイアス電圧が印加されており、その出力電圧値はトランジスタＱ１３１の閾値電圧に設定されている。
【００２５】
トランジスタＱ１３１のコレクタ１０３には電源電圧１１２が印加されている。また、入力端子１２１とベース１０１の間には整流回路２４１が介装されている。
入力端子１２１に入力された信号（ａ）は、整流回路２４１において正弦波の入力信号を整流して半波とされ、この整流された信号は第１のバイアス回路２１１から印加されるバイアス電圧によってトランジスタＱ１３１の閾値電圧と同じＤＣ成分として加わった後、トランジスタＱ１３１のベース１０１に入力される。
【００２６】
ベース１０１では閾値以上の電圧のみトランジスタＱ１３１の動作に寄与し、ベース電流（ｂ）はベース電圧から閾値を引いた半波の形となる。コレクタ電流（ｄ）はベース電流（ｂ）と同相、コレクタ電圧（ｅ）はコレクタ電流（ｄ）と逆相となり、トランジスタＱ１３１はＢ級動作する。
【００２７】
従来の技術ではコレクタ電圧が高い時にベース電圧が低くなるため、コレクタとベースの間に大きな電圧がかかっていたが、この実施の形態では整流回路２４１によってベース電圧が半波に整流されており、ベース電圧の低下を防ぐことによってコレクタ１０３とベース１０１の間にかかる電圧を低減できる。
【００２８】
図２は本発明のベース電圧ｂ１と従来技術の場合のベース電圧ｂ０との比較を示す。Ｂｓａｔは第１のバイアス回路２１１から印加された閾値電圧を表している。また、図３は本発明のコレクタ−ベース間電圧Ｖｃ−ｂ１と従来技術の場合のコレクタ−ベース間電圧Ｖｃ−ｂ０との比較を示しており、従来技術に比べて本発明のコレクタ−ベース間の電圧が低減されていることがわかる。
【００２９】
図４〜図７にシミュレーションによる検証データを示す。
シミュレーションはトランジスタをＢ級動作させた場合の入出力特性(図４)、ベース電圧(図５)、コレクタ電圧(図６)およびコレクタとベース間の電圧(図７)の従来技術と本発明(図９)を比較したものである。入出力特性はトランジスタの入力電力と出力電力の関係を示したものである。
【００３０】
図４は本発明の入出力特性Ｐｉｎ−ｏｕｔ１と従来技術の場合の入出力特性Ｐｉｎ−ｏｕｔ２を比較したものである。図４より従来技術と本発明の入出力特性はほぼ等しくなり、本発明によりベース電圧を半波に整流したとしてもトランジスタの入出力特性を損なう事はない。
【００３１】
図５は本発明のシミュレーション結果のベース電圧Ｖｂ１と従来技術の場合のシミュレーション結果のベース電圧Ｖｂ０を比較したものである。従来技術ではベース電圧の最小値は０ボルト以下の低い値になるが、本発明によりベース電圧の最小値の低下量が小さくなっており、整流作用がなされている。図６は本発明のシミュレーション結果のコレクタ電圧Ｖｃ１と従来技術の場合のシミュレーション結果のコレクタ電圧Ｖｃ０を比較したものである。図５との比較よりベース電圧が低い時にコレクタ電圧は大きくなる事がわかる。
【００３２】
図７は本発明のシミュレーション結果のコレクタ−ベース間電圧Ｖｃ−ｂ１と従来技術の場合のシミュレーション結果のコレクタ−ベース間電圧Ｖｃ−ｂ０を比較したものであり、従来技術に比べて本発明はコレクタ−ベース間電圧の最大値を低減する事がわかる。
【００３３】
図５〜図７より本発明が従来技術と等しいコレクタ電圧であるにもかかわらず、ベース電圧の低下を防ぐことによってコレクタ−ベース間の電圧が低減できていることが確認できる。
【００３４】
（第２の実施形態）
図８は本発明の（第２の実施形態）を示す。
図８では図１における整流回路２１４が、順方向に接続されたダイオード３４１と、このダイオード３４１のアノードにバイアス電圧を印加する第２のバイアス回路３１３とで構成されている。第２のバイアス回路３１３の出力電圧は、ダイオード３４１のアノードにダイオード３４１の閾値電圧と同じ電圧がかかるように設定する。その他は図１と同じである。
【００３５】
入力端子１２１に正弦波が入力されたとすると入力信号はダイオード３４１によって正弦波から半波に整流された後、トランジスタＱ１３１のベース１０１に入力されるため、（第１の実施形態）と同等の効果が得られる。
【００３６】
なお、第２のバイアス回路３１３の出力電圧をダイオード３４１の閾値電圧と同じに設定したが、第２のバイアス回路３１３の出力電圧をダイオード３４１の閾値電圧の付近の電圧に設定しても、ほぼ同様の効果を期待できる。
【００３７】
（第３の実施形態）
図９は本発明の（第３の実施形態）を示す。
図９において入力端子１２１とベース１０１の間には、第２高調波に対して選択的に高インピーダンスとなる２倍波オープン回路４４１が介装されており、基本周波数の高周波信号は入力端子１２１から２倍波オープン回路４４１を介してトランジスタＱ１３１のベース１０１に供給する。第１のバイアス回路２１１をトランジスタＱ１３１の閾値電圧に設定する。
【００３８】
これによって、トランジスタＱ１３１はＢ級動作をし、コレクタ１０３に高調波成分を含む電流、電圧が生じる。コレクタで発生した高調波成分はフィードバック回路４５１を通してベース１０１へ入力される。フィードバック回路４５１は基本波周波数でオープンとなり、2倍波周波数において一定の通過量を持つ回路である。
【００３９】
コレクタ１０３からベース１０１に入力された高調波成分で２倍波の電圧成分は２倍波オープン回路４４１によって反射され、本来正弦波であるトランジスタＱ１３１のベース１０１の電圧波形を半波に整流するため、（第１の実施形態）と同等の効果が得られる。
【００４０】
図１０は本発明のベース電圧ｂ１１を示す。Ｂｓａｔは第１のバイアス回路２１１から印加された閾値電圧を表している。また、図１１は本発明のコレクタ−ベース間電圧Ｖｃ−ｂ１１と従来技術の場合のコレクタ−ベース間電圧Ｖｃ−ｂ０との比較を示しており、従来技術に比べて本発明のコレクタベース間の電圧が低減されていることがわかる。
【００４１】
（第４の実施形態）
図１２は本発明の（第４の実施形態）を示す。
図１２では図９におけるフィードバック回路４５１が、インダクタンス５５１、キャパシタンス５５２、レジスタンス５５３の直列回路で構成されている。その他は図９と同じである。
【００４２】
図１２において第１のバイアス回路２１１の出力電圧値をトランジスタＱ１３１の閾値電圧と同じに設定する。
トランジスタＱ１３１はＢ級動作をし、コレクタ１０３に高調波成分を含む電流、電圧が生じる。コレクタで発生した高調波成分をレジスタンス５５３、キャパシタンス５５２、インダクタンス５５１の直列回路を通してベース１０１に戻す。インダクタンス５５１とキャパシタンス５５２によってフィードバック回路の周波数特性を実現し、通過量をレジスタンス５５３で調整している。
【００４３】
コレクタからベースに入力された高調波成分で２倍波の電圧成分は２倍波オープン回路４４１によって反射され、本来正弦波であるトランジスタＱ１３１のベース１０１の電圧波形を半波に整流するため、（第１の実施形態）と同等の効果が得られる。
【００４４】
（第５の実施形態）
図１３は本発明の（第５の実施形態）を示す。
図１３では図９における２倍波オープン回路４４１が、インダクタンス６６１とキャパシタンス６６２の並列回路で構成されて第２高調波の周波数で共振するように設計されている。その他は図９と同じである。
【００４５】
図１３において第１のバイアス回路２１１の出力電圧値をトランジスタＱ１３１の閾値電圧と同じ電圧に設定する。
トランジスタＱ１３１はＢ級動作をし、コレクタ１０３に高調波成分を含む電流、電圧が生じる。コレクタで発生した高調波成分をフィードバック回路４５１通してベース１０１に戻す。
【００４６】
ベース１０１と入力端子１２１の間にインダクタンス６６１とキャパシタンス６６２の並列回路が直列に接続されており、２倍波の周波数で共振するように設計されている。コレクタからベースに入力された高調波成分で２倍波の電圧成分はインダクタンス６６１とキャパシタンス６６２の並列共振回路によって反射され、本来正弦波であるトランジスタＱ１３１のベース１０１の電圧波形を半波に整流するため、（第１の実施形態）と同等の効果が得られる。
【００４７】
（第６の実施形態）
図１４は本発明の（第６の実施形態）を示す。
図１４においてベース１０１と入力端子１２１の間には、第２高調波の４分の１波長の長さの伝送線路７６１が介装されており、伝送線路７６１の入力端子１２１の側がキャパシタンス７７１とインダクタンス７７２の直列接続を通して接地されている。キャパシタンス７７１とインダクタンス７７２の直列回路の共振周波数は第２高調波に設定されている。
【００４８】
基本周波数の高周波信号は入力端子１２１から伝送線路７６１を介してトランジスタＱ１３１のベース１０１に供給される。第１のバイアス回路２１１の出力電圧値はトランジスタＱ１３１の閾値電圧と同じ電圧に設定されている。
【００４９】
トランジスタＱ１３１はＢ級動作し、コレクタ１０３に高調波成分を含む電流、電圧が生じる。コレクタで発生した高調波成分をフィードバック回路４５１通してベース１０１に戻す。
【００５０】
コレクタからベースに入力された高調波成分で２倍波の電圧成分は伝送線路７６１によって反射され、本来正弦波であるトランジスタＱ１３１のベース１０１の電圧波形を半波に整流するため、（第１の実施形態）と同等の効果が得られる。
【００５１】
なお、上記の各実施の形態では、第１のバイアス回路２１１の出力電圧値はトランジスタＱ１３１の閾値電圧に設定されていたが、第１のバイアス回路２１１の出力電圧値をトランジスタＱ１３１の閾値電圧の付近のバイアス電圧に設定した場合には利得が低下するが、同様の効果を期待できる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明にかかる増幅器によれば、高い出力電力範囲で高効率、高信頼性を実現することが可能であり、無線通信機器の送信機などに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の高周波電力増幅器の（第１の実施形態）の構成図
【図２】同実施形態のベース電圧波形図
【図３】同実施形態のコレクタ電圧波形図
【図４】同実施形態の入出力特性図
【図５】同実施形態のシミュレーション結果のベース電圧Ｖｂ１特性図
【図６】同実施形態のシミュレーション結果のコレクタ電圧Ｖｃ１特性図
【図７】同実施形態のシミュレーション結果のコレクタ−ベース間電圧Ｖｃ−ｂ１特性図
【図８】本発明の高周波電力増幅器の（第２の実施形態）の構成図
【図９】本発明の高周波電力増幅器の（第３の実施形態）の構成図
【図１０】同実施形態のベース電圧波形図
【図１１】同実施形態のコレクタ電圧波形図
【図１２】本発明の高周波電力増幅器の（第４の実施形態）の構成図
【図１３】本発明の高周波電力増幅器の（第５の実施形態）の構成図
【図１４】本発明の高周波電力増幅器の（第６の実施形態）の構成図
【図１５】従来の高周波電力増幅器の構成図
【符号の説明】
【００５４】
Ｑ１３１    トランジスタ
１１２    電源電圧
１２１    入力端子
２１１    第１のバイアス回路
２４１    整流回路
３４１    ダイオード
３１３    第２のバイアス回路
４４１    ２倍波オープン回路
４５１    フィードバック回路
５５１    インダクタンス
５５２    キャパシタンス
５５３    レジスタンス
７６１    第２高調波の４分の１波長の長さの伝送線路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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